高中物理“牛顿第一定律”的PCK解析

杜爱慧 张淑君

(河南师范大学物理与材料科学学院，河南 新乡 453007)

1 牛顿第一定律教学中存在的问题

牛顿第一定律作为牛顿运动定律的前提,学生在初中阶段已经进行过学习,因此很多教师在教授高中教材的这部分内容时,往往倾向于复习旧知识或默认为学生已经掌握,认为学习第一定律就是为接下来学习牛顿第二定律打基础,很少仔细钻研教材和课标要求,也很少深入了解学生相应的前概念,完全按照自己的理解和经验来授课,缺乏必要的教学策略,最终导致学生不能透彻地理解牛顿第一定律包含的丰富内涵,尤其是在力与运动、惯性等方面存在较大问题,这些都给学生接下来的学习制造了障碍．

2 PCK理论的内涵

针对目前牛顿第一定律教学中存在的诸多问题,我们可以根据舒尔曼教授提出的PCK理论来改善教学现状．PCK是“学科教学知识”的简称,是教师在教学中通过分析教材、学生和课堂,结合各个学科的特性、学生的心理特点、认知水平和知识的掌握情况,把多种因素整合起来并以一种学生最易于理解的方式表达出来的知识形式．综合多篇文献,[1-2]PCK主要包含以下4个方面(见表1).

表1 PCK理论的内涵分析

续表

本文将从以上4个维度对牛顿第一定律进行解析,以期能够引起教师对该部分内容的重视并能为教师有效改进教学提供借鉴和参考．

3 “牛顿第一定律”教学的PCK解析

3.1 学科的知识:牛顿第一定律的内容及教育价值

(1) 牛顿第一定律的教学内容.

教材给出了牛顿第一定律的文字叙述,即“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”．其物理内涵包括:① 明确了惯性的概念,即物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,是物体自身所固有的属性．惯性的两种表现形式:“保持原状”或“反抗改变”．② 揭示了力的本质,即力是物体与物体间的相互作用,是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动的原因．③ 牛顿第一定律成立的条件是质点在惯性参考系中的运动描述．在这种参考系中,一个不受力或所受合外力为0的物体将保持静止或匀速直线运动状态不变．

(2) 牛顿第一定律的教育价值.

① 对科学家进行正确评价,培养学生的辩证思维．对于亚里士多德提出的“力是维持物体运动的原因”这一错误判断,我们不能对亚里士多德全盘否定,应该引导学生结合当时的社会、经济、文化等发展水平从哲学角度辩证看待其观点及贡献,要让学生学会辩证的、用发展的眼光思考问题,形成正确的价值观．② 具有敢于质疑的精神和挑战权威的勇气．伽利略通过对现象观察提出了自己的猜想,并进行了理想斜面实验,进而通过逻辑推理得出“力不是维持物体运动的原因”．虽然这个结论与当时的观念格格不入,但伽利略依然坚持自己的观点,不畏惧权威,敢于对亚里士多德的论断提出质疑．伽利略这种敢于挑战权威、求真务实、实事求是的科学精神是促进学生全面发展,使其成为新时代人才的必然要求,教师应及时鼓励学生向伽利略学习．③ 重视研究历程,领悟科学研究方法,理解科学本质．牛顿第一定律经过亚里士多德、伽利略、笛卡儿和牛顿等人对其进行不断的修正和完善,并最终作为基本原理正式提出．这一过程包含了合理外推法、理想实验法、逻辑推理法等丰富的科学方法,让学生经历这个曲折又漫长的发展过程,理解科学研究、科学思想的本质,有助于学生批判性思维的形成．同时帮助学生认识到:科学知识是科学家经过不懈努力才得以形成的,使学生发自内心的尊敬科学家、尊重知识．

3.2 课程的知识:牛顿第一定律与其他教学内容的联系

牛顿第一定律是牛顿力学体系的基石,力学的第一原理,其中包含的基本概念奠定了经典力学的概念基础．通过对课标和教材的分析确立教学目标为:通过实验探究了解阻力对物体运动的影响,经过分析、归纳和推理得出牛顿第一定律,并能用于分析实际现象;通过实验观察、体验和实例分析,认识到物体具有惯性,能表述惯性概念,应用惯性解释和解决生产、生活中的一些现象和问题．

(1) 横向联系.

高中物理必修1第一、二章主要讲质点的运动,包括质点静止、匀速直线运动和匀变速直线运动．第三章学习力,包括重力、弹力、摩擦力、力的合成与分解以及物体的受力分析．那么物体的运动和受力之间有怎样的关系呢?接下来的牛顿第一定律就阐述了运动和力的关系,而这种关系正是高中物理的核心内容,对于之后要学习的知识都将围绕这种关系而展开．因此牛顿第一定律在整个学科知识体系中具有承前启后的作用．

(2) 纵向联系.

学生在初中阶段就已经对牛顿第一定律有了一些基本认识,如定律的内容、实验推理过程以及对生活中惯性现象的分析等．初中内容不涉及惯性与质量的关系,而高中教材中会明确指出描述物体惯性的物理量是它们的质量,让学生从物体惯性的角度认识质量,从而使学生更加深入的理解牛顿第一定律并纠正自己认识上的偏差．牛顿第一定律为第二、第三定律提供了非常重要的指导,为牛顿第二定律定量说明力、质量和加速度三者之间的关系奠定了基础,是研究动力学的出发点．牛顿三定律是存在递进性的,它们是一个完整的理论体系,而且之后的力学知识都是在这三大定律的基础上得以研究的．

3.3 学生的知识:学生学习牛顿第一定律时可能存在的困难

表2 学生学习牛顿第一定律时的困难分析

3.4 教学策略的知识:帮助学生理解牛顿第一定律的教学策略

(1) 创设问题情境引发学生认知冲突.

在新课教学前,学生对所学知识已有所认识和了解,但这些认识大多来源于直接的生活经验感受,是比较肤浅的甚至是错误的．这就需要学生打破头脑中原有的错误认识,重新构建新的认知结构．通过创设能够引发学生认知冲突的问题情境,进而打破原有图式结构的平衡状态,有利于刺激学生的思维,激发其内驱力．因此教师要根据学生已有的知识水平以及学生发展的内在需要,创设科学有效的问题情境,使学生真正参与其中,达到有效建构的目的．

(2) 利用“问题串”引导学生积极思考.

教学的过程应该是一个不断提出问题和解决问题的过程．教师通过一系列的“问题串”能使学生的思维清晰,更深刻地理解其正在探究的问题,领悟探究活动的精髓．[3]利用“问题串”进行教学时,第一步,教师首先设置引导学生主动思考的问题,让学生表达自己对问题的看法;第二步,教师继续提问或通过反馈来辨别学生的回答,目的是明确学生对该问题的理解程度;最后,引导学生反思自己的答案,借鉴参考别人的想法,并最终形成对问题的正确理解．

(3) 抽象问题具体化.

高中物理的知识比较抽象,高一学生虽然具备一定的分析推理和逻辑思维能力,但抽象思维水平不高,尚未形成理性分析的习惯,因此只靠单纯的理论讲解很难使学生对所学内容全面掌握．教师可以将物理知识具体化、生活化、形象化,利用学生熟悉并可以理解的方式进行讲授,具体如通过引入实例、打比方、做类比等方法展开教学、这样不仅可以帮助学生理解知识,激发其物理学习的积极性,而且有利于学生学以致用意识的培养．

4 “牛顿第一定律”的教学案例

教学活动1:课堂引入.

教师演示2个小实验:实验1,让小车倒置,轮子朝上,在水平桌面上用力推小车后再撤去推力．现象:推它就动,撤去推力后小车就静止在原地．学生们大多会根据观察到的现象得出和亚里士多德相同的观点,即力是维持物体运动的原因,符合学生的生活经验．这样做的目的就是为了引出学生头脑中错误的前概念,教师可以适时说明亚里士多德的观点,强化学生的错误认识,为接下来引发认知冲突作足铺垫．接着演示实验2,让小车正立,轮子接触桌面,用同样大小的力再去推小车．现象:撤去推力后小车运动一段距离之后才会停下来,可以得出小车不受力后还可以向前运动,此时学生头脑中开始出现认知冲突,教师可以适时提出伽利略的观点:运动的物体不需要力来维持．请学生分析谁的观点正确?

活动分析:利用认知冲突策略,首先澄清学生头脑中的错误前概念,同一辆小车只因放置的方式不同就产生了不同的实验现象和结论,引发了学生的认知冲突,调动了学生探究其中原因的学习积极性,同时也明确了接下来要探究的问题．

教学活动2:区别力与惯性.

教师展示两个情境并提出相应问题让学生分析．首先展示情境1:播放抛出去的石子在空中继续飞行、踢出去的足球在草地上不会立即停下来、公交车突然刹车时人会向前倾这些生活中的场景．针对情境提出问题1:情景1中的物体为什么会继续向前运动而不会立即停下来呢?(设计意图:明确学生是否把力与惯性混淆)问题2:若混淆,问力的概念及产生条件分别是什么?(力是物体与物体之间的相互作用;必须有施力物体和受力物体)问题3:上述情境中的施力物体分别是什么?(学生在这个过程中肯定会碰壁,引导学生转化角度思考问题)问题4:惯性是一种力吗?(设计意图:引导学生反思自己的答案)教师展示情境2:展示几幅物体受力情况不同的图片,让学生画出力的示意图并指出各个力的施力物体．通过对比以上两类情境中的物体,分别从力和惯性的概念、力的三要素等方面来区分力与惯性．向学生提出问题5:力和惯性的本质分别是什么,它们之间有什么区别?(设计意图:让学生最终形成对问题的正确理解)

结论:惯性不是一种力,因为它没有施力物体,惯性的大小没有具体数值,也没有方向和作用点．惯性是物体本身的固有属性,是使物体保持原来运动状态不变的原因,而力则是改变物体运动状态的原因．

活动分析:利用问题串的教学策略,通过层层递进的提问和适时的引导,让学生对问题进行深入思考并形成正确理解．

教学活动3:惯性的大小只与物体的质量有关.

播放生活中常见的惯性现象,让学生结合生活体验,真切感受到惯性与质量的关系．如:火车启动时,空车和满载时哪个更好启动?骑自行车刹车时,单人时和载人时哪个更容易停下来?

活动分析:利用抽象问题具体化策略,可以将理论和实际紧密联系起来,既解释了生活现象,又深化了学生对理论的理解．让学生感受到物理存在于生活的各个方面,有助于树立理论联系实际的良好学风．

教学活动4:惯性大小与速度无关.

例题.一个小车以15m/s的速度行驶,它完全停下来需要3s;当这个小车以20m/s的速度行驶时,它要完全停下来需要4s,问:两个过程中小车的惯性大小相同吗?对本题来说,运动状态改变的难易程度具体指的是什么?

经过交流发现,对于第一个问题,认为惯性不一样的学生给出的原因是,小车在第二种情况停下来所需时间大于第一种情况,所以说它的运动状态较难改变,即惯性较大．支持惯性不变的多数学生的理由则是因为我们之前已经学习过惯性只和质量有关,因为是同一辆小车,质量不变所以惯性不变．只有极少部分学生是真正理解了惯性的本质．对于第二个问题,要引导学生比较单位时间内汽车速度的变化量,明确运动状态改变的难易程度并不是指小汽车从运动到静止这个过程所用时间的长短,而是说在单位时间内汽车的速度的变化量,变化量越大,我们就说它越容易改变,即惯性越小．对于本题中的小车,不管它以多大的速度行驶,刹车时单位时间内速度的改变量都是5m/s．因为还是同一辆小车,它的质量没变,所以惯性不变．

活动分析:惯性是一个很抽象的概念,中学生的抽象思维发展水平还不高,对于惯性本质的理解还存在困难,需要借助于具体的问题来帮助理解．利用抽象问题具体化策略可以帮助学生顺利形成对惯性的理解．

以上我们基于PCK理论深入分析了牛顿第一定律的教学．对于高中物理教学,我们可以从PCK内涵的4个方面重点分析教学内容,基于物理学科的特点以及物理学科中最核心的知识基础,落实到当前课堂所要教授的具体知识上,不仅要对课程知识进行整体把握和分析,还要深入了解学生对于该知识的认识,包括有利和不利的因素以及学生可能出现的困难等,然后以最易于学生理解的方式组织和展开教学活动,提高课堂教学的有效性．